糖蜜酒精廢液所含色素及其提取研究現(xiàn)狀

    糖蜜酒精廢液是一種天然色素，是甘蔗生長和制糖加工過程中逐步產(chǎn)生的一種混合色素，從糖蜜酒精廢液中提取色素可以創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益和解決污染環(huán)境的問題，已成為人們研究的熱點。同時，目前我國化學合成色素的消耗量仍遠遠超過天然色素，利用廣泛的資源生產(chǎn)天然色素是我國食品行業(yè)的一類重要課題。    

    1 糖蜜酒精廢液
　　糖蜜酒精液是甘蔗或甜菜糖廠在精制糖產(chǎn)品過程中所得的副產(chǎn)物糖蜜, 經(jīng)過發(fā)酵生產(chǎn)酒精后所排放的廢醪液, 它是一種高濃度的有機廢水, 其中含有的色素成分, 是污染產(chǎn)生的一個重要指標, 是造成廢液中COD、BOD 含量高的主要原因 。這些色素大多難以被微生物所降解, 耐溫、耐光照, 放置時間延長其色值亦不減, 因此, 解決色素問題對廢液治理至關重要, 同時又可以回收有用資源, 創(chuàng)造制糖行業(yè)的經(jīng)濟附加值。

　　1. 1 糖蜜酒精廢液組成及特點
　　1) 固溶物含量高, 固溶物含量為10-17B^oX, 固溶物中70%以上為有機質, 灰分占18-28% ;
　　2) 化學需氧量( CODcr) 和生化需氧量( BOD) 高, CODcr 含量80000-170000mg/L, BOD 含量40000-70000mg/L, 屬高濃度有機廢水;
　　3) 含大量有機質、蛋白質、維生素、N、P、K 等, 可回收利用;
　　4) 酸性強, pH 值3.5~-5, 含SO₂^-4, Cl^{- 1}, 及有機酸等, 腐蝕性強;
　　5) 廢液色素為棕色素, 主要成份為焦糖色素、酚類色素、多糖分解產(chǎn)物和氨基酸分解產(chǎn)物, 在pH4-11 內顏色不會變淺。色度較高, 難以用物理化學和生物化學方法去除, 且耐溫, 耐光照, 放置時間延長其色澤不減;
　　6) 糖蜜酒精廢液灰分組成( 干基) 見表1

　　1. 2 糖蜜酒精廢液的危害
　　每生產(chǎn)1 噸酒精產(chǎn)品將排出12 噸廢液, 其中所含的有機物質總量也接近1 噸。一間日產(chǎn)量20 噸酒精的普通生產(chǎn)車間所排出的該廢液可達300t·d^{- 1}, 其污染程度及C0D總量相當于一個中等城市每天生活污水的污染物的總量。糖蜜酒精廢液極富于營養(yǎng)化, 顏色深, 除含有大量固體懸浮物外, 還含有較高濃度的糖類、果膠和蛋白質等溶解性有機污染物, 如果排入水中, 會使藻類大量繁殖, 抑制了魚、蝦、貝類等生長繁殖, 甚至大量死亡, 也會大量消耗水體的溶解氧, 使水體腐敗發(fā)臭, 從而使水質惡化; 由于其酸值高, 還含有硫酸根和氯根, 會燒死莊稼、板結土地。因此, 糖蜜酒精廢液是糖廠的所有廢棄物中危害最大的污染源, 也是產(chǎn)糖地區(qū)水質惡化的最主要原因之一。糖蜜酒精廢液是一種腐蝕性極強的廢水, 具有很強的滲透性。如果存儲池塘時間過長, 會滲入地下水, 污染地下水源, 致使地下水不能利用, 尤其是在缺乏淡水的地區(qū), 會造成嚴重的后果。

　　1. 3 糖蜜酒精廢液的綜合利用現(xiàn)狀
　　我國有甘蔗糖廠300-400 家, 大多糖廠都有酒精車間, 雖然其開工期較短但是直接排放造成嚴重污染, 隨著農業(yè)的多種經(jīng)營和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展因污染糾紛影響糖廠正常生產(chǎn), 糖蜜酒精廢液治理技術一直是人們研究的重大科研課題。很久以前人們就知道粗蔗糖和黑糖是一種有益健康的良好食品, 具有美化肌膚的效果, 因此有人申請了關于提取粗糖中的糖色素作為用作化裝品的配料的專利。另外, 有報道說黑砂糖中的黑色物質具有阻礙葡萄糖吸收的作用。提取糖蜜酒精廢液的色素可用于醫(yī)療和保健食品等方面。近十幾年來對廢液綜合利用的研究和實踐有了很大的發(fā)展, 其可用于生產(chǎn)酵母、復合肥、制鉀鹽、作魚飼料、厭氧生產(chǎn)沼氣等 。廢液中的的提取物用于食品添加劑是近幾年來最新開發(fā)的技術, 國內有公司研制了利用廢液生產(chǎn)食品添加劑——焦糖色素, 而提取后的剩余物, 摻濾泥生產(chǎn)有機復合肥 。廢液綜合利用盡管有十余年的實踐, 但還不能得到廣泛的應用與推廣, 還須不斷地實踐與探索, 不斷總結經(jīng)驗, 不斷趨于完善, 不斷地消化國外技術, 力圖有所創(chuàng)新, 特別是對糖蜜酒精廢液中色素的研究。

　　2 糖蜜酒精廢液中的色素
　　甘蔗糖蜜色素是在甘蔗生長和制糖加工過程中逐步產(chǎn)生累積而成的多種色素混合物, 含有酚類和氨基氮化合物等成分。多酚類物質在酶作用下氧化成褐色素、還原糖堿分解縮合聚合成高分子棕黑色素、還原糖與氨基酸反應生成褐色聚合物、糖熱分解成深咖啡色焦糖色素、酚類物與鐵反應生成深色的化合物, 概括為酚類色素、焦糖色素、美拉德色素等3 種, 通常以焦糖色素為主。目前, 國內外學者對酒精廢液色素的研究主要集中在降解或者分離上, 以降低對環(huán)境的污染。據(jù)報道酚類色素和美拉德產(chǎn)物均具有良好的抗氧化活性, 可以作為一種天然抗氧化劑應用在食品、化妝品、保健品等行業(yè), 具有良好的開發(fā)價值。焦糖色素更是廣泛應用于軟飲料中; 應于用酒類中, 最常用的是那些能夠在120~ 140 酒度乙醇中仍然穩(wěn)定的品種; 應用于醬油、醋、醬料等調味品中; 可用來增加焙烤食品外觀的吸引力; 也能廣泛地應用于其它食品中, 如罐裝肉和燉肉、餐用糖漿、醫(yī)藥制劑, 以及植物蛋白為原料的模擬肉。

　　3 糖蜜酒精廢液色素的提取
　　糖蜜酒精廢液中的色素濃度高、種類多、分子量分散, 給色素回收及精制造成很大的困難, 國內外有很多學者對此已作了多方面的研究與探索, 提取方法主要包括膜分離法、析出法、吸附法、絮凝法和濃縮滲析法等。

　　3. 1 膜分離色素
　　膜過濾是一種最簡單最有效的又不會引入任何外來雜質的分離方法[ 6] 。用超濾膜從糖蜜酒精廢液提取色素, 不發(fā)生任何化學反應, 不添加任何化學成分, 不產(chǎn)生新增的工藝廢水, 這樣不僅提高效率, 而且可減少環(huán)境污染和節(jié)省能源開支。根據(jù)色素的分子量選擇具有高脫色率、高過濾速度、低的糖阻留率的膜,在一定壓力下分離廢液, 可即回收廢液中的色素, 但在膜分離前需用加熱澄清、離心分離等方法盡可能除去廢液中的蛋白質、膠體和懸浮微粒。Kishihara 和Matsimoto 等分別采用不同截留量的膜對糖蜜酒精廢液中的色素進行了分離實驗, 色素截留率達56.3% 以上。為了提高膜的分離效率, 可采用酶進行預處理, 例如加入從面包酵母細胞壁中提取的轉化酶處理, 與沒有酶處理的情況相比, 過濾性能及色素截留率( 達到90%) 都提高, 糖的阻留率下降, 而濾液的發(fā)酵等性能保持不變。

　　3. 2 析出法提取色素
　　利用有些色素在某些溶劑中不溶或難溶的特性, 在溶液中加大該溶劑的濃度而使色素析出。如用醇析等方法將廢液中的色素進行分離, 但酒精用量大, 產(chǎn)品成本高, 實際應用中難度較大, 其中乙醇的回收能量費用約占60%。利用等電點使色素沉淀也是一種色素回收方法, 在類黑精溶液中加人酸會使之漸漸變粘, 當pH 在3.0-3.5 時會使類黑精沉淀析出, 該沉淀在pH 小于2.5 或堿性溶液中可重新溶解, 類似于兩性電解質, 但如果在等電點條件下的時間過長, 沉淀類黑精將喪失其可溶性而形成凝膠。

　　3. 3 吸附法提取色素
　　吸附是一種快而徹底的色素提取方法, 但由于糖蜜色素量大, 因此需要用較大量的吸附劑, 在應用中就必須考慮吸附劑循環(huán)使用的問題。常用的吸附劑主要有活性炭和吸附樹脂。糖蜜酵母發(fā)酵廢液加人3.3%的粉末活性炭處理2小時, 色素吸附率達90%以上。但由于活性炭的用量多、成本高, 而使其在生產(chǎn)中應用造成困難。對于制糖廢蜜、精制糖廢蜜或精糖洗糖蜜等用水稀釋, 并通過離心分離或硅藻土過濾處理得澄清液, 再用非極性合成樹脂吸附其中的有色物質, 吸附后的樹脂先用水洗去糖分再用含水酒精從吸附劑中將色素洗脫, 干燥得褐色粉末色素產(chǎn)品。為了得到高純度的糖蜜色素, 可用95% 的乙醇或甲醇溶解后濾除不純物進行精制即可。

　　3. 4 離子交換纖維提取法
　　離子交換纖維是在離子交換樹脂產(chǎn)品基礎上開發(fā)的具有一定特性的功能新材料。它與普通離子交換樹脂不同, 其內部成絲狀, 同一體積的樹脂纖維要比普通顆粒樹脂表面積大20 倍左右, 吸附能力強, 除色效果好。在過濾通量, 過濾質量, 再生效果方面, 離子交換纖維均有其優(yōu)勢一面。離子交換纖維是一種纖維狀離子交換材料, 其本身含有固定離子及和固定離子符相反的活動離子。當與能解離化合物的溶液接觸時, 離子交換纖維的活動離子即與溶中相同符號的離子進行交換。可用于食品脫色、物質的分離提純和富集。制糖工業(yè)中產(chǎn)生的堿性分解物可用弱酸堿性離子交換纖維提取, 將糖漿中的有色物質除去。但目前使用離子交換纖維處理糖蜜酒精廢液的研究較少。王利軍的研究表明離子交換纖維對糖蜜酒精廢液動態(tài)脫色的最佳條件為: 脫色體系溫度60 e 、高徑比15、廢液流速3mL. min- 1。影響脫色劑動態(tài)脫色效果因素的主次順序為: 廢液流速、高徑比、脫色體系溫度。但由于此法的研究不夠充分, 所以還需要進一步深入研究。

　　3. 5 其它提取方法
　　采用濃縮滲析法, 酒精廢液采用敞開式直接火濃縮16-17 倍, 用濾布、超細纖維濾紙過濾后, 濾液于滲析器中滲析7 小時, 取出干燥至含水量( 質量分數(shù)) 5% 以下即得棕色素產(chǎn)品, 產(chǎn)品得率約為1. 2%。產(chǎn)品稀釋為1%溶液時的色值為23.8。采用絮凝法, 對于酵母發(fā)酵廢液和洗液混合經(jīng)活性污泥處理后, 加入聚合硫酸鐵調節(jié)pH 至4.5, 并加人質量分數(shù)為2 ×10^-6的陰離子型高分子劑, 色素分離率達96%, 但這種方法所回收的色素含有絮凝劑雜質, 對其精制和應用不利。

　　4 結  語
　　制糖行業(yè)是我國農業(yè)四大支柱行業(yè)之一, 我國南方為主要的蔗糖產(chǎn)區(qū)。甘蔗糖廠在制糖過程中, 會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物和廢棄物, 其中糖蜜酒精廢液是發(fā)酵酒精后排出的剩余液體, 是濃度高、顏色深、酸度大的有機廢水, 每生產(chǎn)1 噸的酒精, 便產(chǎn)生12 噸左右的蒸餾廢液, 若對此廢液不加處理而直接排入水體, 將對環(huán)境造成十分嚴重的污染, 而治理污染的巨大投入使企業(yè)難以承受, 因此, 解決廢液的污染及回收利用是急待解決的課題。糖蜜酒精廢液中所含的色素是一種難降解的有機色素, 包括酚類色素、焦糖色素和美拉德色素, 是一種天然色素。在解決環(huán)境污染的同時, 從酒精廢液中分離天然色素, 變廢物資源化, 增加經(jīng)濟附加值, 是廢液綜合治理的發(fā)展趨勢, 也是完善制糖過程, 發(fā)展低碳經(jīng)濟的較好途徑。（本文搜集整理于網(wǎng)絡，如有侵權之處，請聯(lián)系我們刪除。）